МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

КРИВОРІЗЬКИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МУЛЯВКО ВАЛЕРІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 622.807:621.928.8

ТЕОРЕТИЧНЕ ОБҐРУНТУВАННЯ ТА РОЗРОБКА АПАРАТІВ СУХОГО ВЛОВЛЮВАННЯ І ПОДІЛУ ПИЛУ НА КОМПОНЕНТИ

Спеціальність 05.26.01 "Охорона праці"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття вченого ступеня

доктора технічних наук

КРИВИЙ РІГ - 2003.

Дисертацією є рукопис

Роботу виконано в Криворізькому технічному університеті

НАУКОВИЙ КОНСУЛЬТАНТ

Доктор технічних наук, професор Гурін Аркадій Олександрович, Криворізький технічний університет, завідувач кафедри

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ:

доктор техн. наук, професор, Бересневич Петро Васильович, завідувач кафедри теплогазопостачання та вентиляції Криворізького технічного університету;

доктор техн. наук Бєліков Анатолій Серафімович, проф. кафедри „Безпеки життєдіяльності” Придніпровської Державної академії будівництва та архітектури;

доктор техн. наук, Медведєв Едуард Миколайович, старший науковий співробітник Макіївського науково дослідного інституту з безпеки робіт у гірничий промисловості Міністерства палива та енергетики України.

Провідна організація - Національний гірничий університет, кафедра “Аерології та охорони праці”, м. Дніпропетровськ.

Захист дисертації відбудеться „18” грудня „ 2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої ради Д. 09.052.02. при Криворізькому технічному університеті за адресою: 324002, м. Кривий Ріг, вул. Пушкіна, 37.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці університету.

Автореферат розіслано „17„ ...листопада.... 2003 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради

кандидат техн. наук, професор Фаустов Г.Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність питання. Процес одержання готової продукції гірничорудними підприємствами пов'язаний з виділенням великої кількості пилу, обсяги якого різко зростуть зі змушеним переходом: по-перше, до видобутку і збагачення бідних кварцитів, що містять підвищену кількість вільного двоокису кремнію та мають більш високу міцність; по-друге, до сухих технологій переробки гірничої маси, що пов’язано з тенденцією зниження водоємкості промисловості.

Відсутність єдиної теоретичної основи різних механізмів осаджування пилу, пов’язаних з фізико-механічними властивостями її частинок, не дає змоги розробити нові, більш ефективні пиловловлювачі. А відсутність коштів на ремонт і обслуговування вже діючих, зношених, призводить до неефективної їхньої роботи, тобто, до значного перевищення гранично допустимих концентрацій пилу в повітрі, що є однією з причин захворювання робітників пневмоконіозами. Крім того, мокре видалення уловленого пилу в шламосховища, що домінує на сучасних підприємствах, а також великі викиди його в атмосферу, призводять до великих втрат корисного продукту, що складає, наприклад, при гарячому спіканні концентрату на фабриках ГЗКів 5-10 % від вихідного матеріалу.

Актуальність роботи, таким чином, обумовлена необхідністю створення теоретичного обґрунтування процесів уловлення та поділу пилу на компоненти, яке дозволить розробити більш ефективні та продуктивніші апарати нового покоління. Це забезпечить зниження запиленості повітря на робочих місцях до безпечного рівня, зменшення викидів пилу до встановлених норм ГДВ, навіть при збільшенні обсягів його утворення. А рекуперація цінних компонентів пилу, забезпечить окупність реконструкції й обслуговування аспіраціних систем.

Основна ідея роботи полягає у використанні закономірностей руху пилу в силових полях (аеродинамічному, електричному і магнітному), з метою створення теоретичних основ вловлювання та сепарації пилу на компоненти, а також для вивчення його фізичних властивостей.

У дисертаційній роботі представлено результати досліджень, виконаних автором відповідно до планів науково-дослідних робіт Криворізького технічного університету, виконання яких курирувалося інститутами (НДІБПГ м. Кривий Ріг), ВНІПІЧЕО (м. Харків), Укргіпротрансшлях (м. Київ) і Гірничо-металургійним (м. Алчевськ), і відповідних комплексно-цільових програм Держплану СРСР і Державного комітету з науки і техніки ОЦ-039 "Розвиток техніки і технології видобутку і збагачення корисних копалин", 0.85.04 "Створити і впровадити ефективні методи і засоби контролю забруднення навколишнього середовища" і "Розробити способи і засоби уловлювання й утилізації промислових викидів пилу з метою захисту навколишнього середовища", що входять у міжгалузеві програми "Повітря, вода, Земля", "Ноосфера" і регіональну програму прискорення науково - технічного прогресу "Кривбас - 90".

Мета роботи: - створювання теоретичного обґрунтування процесів сухого вловлювання та поділу пилу на компоненти для розробки апаратів нового покоління, спроможних покращити охорону праці робітників гірничорудної промисловості.

Наукові положення, висунуті автором на захист.

1. Розміри постійного магніту магнітних систем апаратів залежать від його властивостей та віддалення робочої зони апарату від полюсу. Так для феробарієвих магнітів і віддалення до 3 мм ширина полюсу може не перевищувати 10 мм, а товщина – 42 мм; для віддалення до 7 мм оптимальною шириною буде 20 мм, а товщиною – 70 мм. В той же час для здійснення безперервної регенерації осаджувальних поверхонь, оптимальне відношення кроку полюсів до ширини полюсу повинно дорівнювати 2.44.

2. Ступінь вловлювання пилу циклонним апаратом нового покоління експоненціально залежить від швидкості потоку, який очищують, числа коаксіальних обичайок, їхніх розмірів, а також діаметру частинок пилу. Для циклонів одного розміру та продуктивності ступінь вловлювання пилу нового апарату буде більшою не менше як в 1,23 рази ніж у старого.

3. Ефективність магнітного вловлювання пилу експоненціально зростає зі збільшенням розміру циклону та магнітної сили, яка діє на частинки, і спадає зі збільшенням його продуктивності та розміру частинок пилу. У той же час сумарна інерційно-магнітна ефективність від розмірів циклону майже не залежить і у середньому дорівнює 92 %.

4. Час руху частинки пилу до заземленої поверхні є обернено пропорційним заряду, який вона отримала під час дотику з футерованими конструкціями апарату. Тому для збільшення ступеня уловлювання пилу необхідно підбирати цей матеріал за найбільшими заряджаючими властивостями, наприклад, для пилу аглофабрик це може бути напівпровідниковий полімер П29С-1.

5. Ступінь інерційного осадження пилу на волоконній шторі експоненціально зростає із збільшенням швидкості фільтрації та розмірами частинки, а ступінь дифузійного осадження за цих умов, навпаки, - зменшується, тому для ефективного вловлювання дрібного пилу треба щоб швидкість фільтрації через послідовно встановленні штори зменшувалась не менше, як у 10 разів.

Вірогідність наукових положень підтверджується: обґрунтованістю прийнятих вихідних передумов, що випливають з фундаментальних основ теорії магнітних і електричних полів, механіки суцільних середовищ (теорій ламінарної та турбулентної течій газів і явищ у прикордонних шарах) задовільною збіжністю результатів теоретичних і експериментальних досліджень; великим обсягом лабораторних і промислових випробувань, що забезпечують достатню репрезентативність одержаних результатів, та їх позитивними результатами на комбінаті КНІ № 472 МО України, на дослідно-промисловій фабриці інституту Механобрчормет, і впровадженням інститутами УкрНДгіпротранс, Механобрчормет і НДІБПГ пиловловлювачів у технологічні та сантехнічні проекти.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Вперше розроблено теорію поля постійного магніту обмежених розмірів і поліградієнтного поля циліндричної магнітної системи, а також отримано вираз сили, яка діє на частинку пилу в ньому.

2. Встановлено залежність ступеня вловлювання пилу циклоном нового покоління, в якому створено канали з ламінарною течією повітря.

3. Отримано вирази для розрахунку ефективності магнітного та інерційно-магнітного вловлювання пилу циклонним апаратом.

4. Визначено залежності інерційного, дифузійного та електростатичного осаджування пилу на шторі, яка складається з тонких волокон, підвішених вертикально.

5. Запропоновано метод визначення аеродинамічної міцності флокул, які утворюються під час магнітної коагуляції пилу.

6. Вперше отримано залежність кута повороту частинки пилу в магнітному полі від параметрів останнього та розроблено засіб вимірювання її магнітних властивостей.

Практична цінність роботи.

Розроблено засоби вивчення фізико-механічних властивостей пилу, які забезпечують вибір найбільш ефективних апаратів у кожному конкретному випадку;

Запропоновано аналітичний метод розрахунку магнітного поля постійного магніту обмежених розмірів, який дає змогу розраховувати оптимальні розміри та параметри магнітних систем апаратів;

Розроблено метод розрахунку міцності флокул, завдяки якому визначається градієнт швидкості повітря, за якого вони можуть існувати;

Отримано формули для розрахунку ступеня інерційного, дифузійного, електростатичного і магнітного осадження пилу, які дають змогу визначити параметри додаткових пристроїв до апаратів, що збільшують ефективність їхньої роботи;

Розроблено метод кількісної оцінки та прогнозування запиленості повітря, який дозволяє визначити найбільш шкідливі джерела викидів пилу та вибрати раціональний шлях і засоби його очищення.

Розроблено апарати нового покоління, які мають велику ефективність сухого вловлювання та поділу пилу на компоненти за фізико-механічними властивостями.

Практичне значення отриманих результатів.

Пилоосаджувальна камера з волоконними шторами, на виготовлення якої розроблено робочу документацію, впроваджена в цехах комбінату "Діорит", де вона показала високий ступінь очищення ( у середньому 95 % при обсягах аспірації 7,6 м3/с і швидкості повітряного потоку в камері 0,35 м/с, що забезпечує з вересня 1990 нормальні санітарні умови в цехах комбінату і виключає забруднення навколишнього середовища (акт випробувань від 10.06.96)). Крім того, її закладено в проекти реконструкції аспіраційних систем ряду підприємств (акт про впровадження від 12.06.96).

Прямоточний циклон використовується для очищення аспіраційного повітря обрубочного цеху КЦРЗ (акт використання 13.03.03)

Спосіб визначення магнітних моментів окремих частинок, методика розрахунку магнітного циклона, в якому пил розділяється на магнітний і немагнітний продукти, и робоча документація на його виготовлення використані при виконанні в 1987 році проекту "Реконструкція вентиляції фабрики огрудкування ССГЗКа", що дозволило очистити аспіраційні викиди до рівня ГДВ, поліпшити умови праці на робочих місцях і вилучити з уловленого пилу корисний продукт зі вмістом заліза до 65 %. При цьому, річний економічний ефект склав 7,65 тис. гривень з 1м2 корисної площі випалювальної машини (акт про використання результатів роботи від 5.09.87).

Магнітні циклони використовувались під час очищення аспіраційних викидів цеху обпалювання гематитової руди на ЦГЗК (акт випробувань від 30.08.89 р.) та сталеплавильного цеху КЕРМЗ (акт про випробування від 10.12.88 р.), а також у вигляді основного обладнання технології сухого магнітного збагачення кварцитів шахти „Гігант” (акти випробувань у 1989 та 1990 роках).

Особистий внесок автора в одержання наукових результатів, що винесені на захист, полягає: у визначенні мети, наукових положень і задач досліджень; в одержанні аналітичних виразів, що описують турбулентне розсіювання пилу в атмосфері, руху частинок у силових полях, параметри магнітного поля, ефективність гравітаційного, інерційного, електростатичного, магнітного і дифузійного процесів осадження пилу; розробці нових апаратів, вивчення фізичних властивостей пилових частинок, їхньої класифікації за розмірами, густині і формою, їхнього сухого уловлювання і сепарації за фізичними властивостями; а також у впровадженні результатів досліджень у виробництво.

Апробація роботи. Основні положення роботи доповідалися на технічній раді Томашгородського щебзавода “Главполесьеводстроя” (п. м т. Томашгород, 1988 р.), на технічній раді комбінату нерудних копалин № 472 МО України (п. м. т. Клесів, 1989-1990 р.), на технічній раді інституту Укргіпротранс (м. Київ, травень 1991 р.), на Всесоюзних науково-технічних конференціях: "Аеродісперсні системи і коагуляція аерозолів" (м. Караганда, 1988 р.), "Актуальні питання охорони навколишнього середовища від антропогенного впливу" (м. Севастополь 1990 р.), "Шляхи вирішення еколого-технологічних задач на гірничих підприємствах" (м. Ташкент, 1991 р.), "Екологія та здоров'я людини. Охорона водного та повітряного басейнів. Утилізація відходів" (м. Щелкіно, АР Крим, 2002 та 2003 рр.) та на науково-технічних конференціях Криворізького технічного університету (м. Кривий Ріг, 1980-2002 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковано в 39 наукових статтях, з них 23 у фахових журналах, 11-ти тезах доповідей і 3-х депонованих статтях. Розроблено способи і пристрої, захищені 6 авторськими посвідченнями і 10 патентами Росії й України. Усього за темою дисертації опубліковано 55 наукових праць.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з введення, 6-ти розділів, висновку, списку використаної літератури з 239 назвами. Дисертацію викладено на 269 сторінках машинописного тексту, вона містить 18 таблиць і 49 рисунків, 6 додатків на 95 сторінках. Загальний обсяг роботи 364 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Розділ 1. Аналіз сучасного стану питання.

На території Кривбасу щорічно утворюється більше 400 млн.т промислових відходів, з яких 390 млн.т вивозиться у відвали, шламо- і хвостосховища, на, де вже знаходиться більше 2,5 млрд.м3 порід та 1 млрд.м3 відходів збагачення. З цією метою, за період промислового освоєння Кривбасу, відчуджено більше 34 тис. га родючих земель.

Не всі підрозділи металургійного комплексу в однаковому ступені забруднюють атмосферне повітря. Так, наприклад, максимальні валові викиди пилу спостерігаються на металургійному заводі – 350 т/добу та аглофабриках - 50-60 кг на одну тону агломерату, що складає близько 2 млн. т/рік втрат матеріалу, який переробляється. При цьому вміст заліза в пилу доходить до 60 %.

Крім заліза, безповоротно втрачаються багато корисних мінералів, наприклад, графіт, що утворюється при остиганні чавуну. Відсутність же аспіраційних систем і механізованого збору графітового пилу спричиняє забруднення робочих місць та професійні захворювання робітників, а відсутність надійної технології вилучення заліза з графітового пилу - до викидання його у відвали.

Існуючі пиловловлюючі засоби дозволяють знизити викиди пилу в атмосферу на 70-80%, при цьому не досягаються санітарні норми як на робочих місцях, так і в населених пунктах. Більше того, завдяки мокрому видаленню пилу в шламо- й хвостосховища, безповоротно втрачається велика кількість корисного продукту.

Не захищають атмосферне повітря від надмірного запилення і високі труби підприємств. Тому назріла необхідність розробки методів математичного моделювання турбулентного розсіювання цих викидів для прогнозування забруднення атмосферного повітря в залежності від метеорологічних умов, а також точних і надійних апаратів контролю.

Аналіз сучасних методів очищення газів від пилу показав, що для підвищення ефективності роботи апаратів не повною мірою використовуються фізичні властивості пилу, які дозволяють включити додаткові механізми осадження і коагуляції частинок.

Питанням вивчення фізичних властивостей пилу, використання їх для збільшення ефективності пиловловлення відомими апаратами присвячені роботи Андон'єва С.М., Андріанова Є.І., Месеняшина А.І., Олофінського Н.Ф., Товстохатько В.М., Левітана С.А., Міхельсона М.Л. і багатьох інших. Розроблено способи і засоби для дослідження фізичних властивостей пилу і підвищення ефективності роботи деяких апаратів. Багато з них лежить в основі стандартних методів вивчення фізичних властивостей пилу. Але деякі способи вивчення фізичних властивостей, особливо окремих частинок пилу, є дуже складними.

Закономірності інерційного, дифузійного, гравітаційного, електричного й інших механізмів осадження пилу відбито в роботах Волощука В.М., Жовтухи Г.А., Кармазіна В.І., Левіна Л.М., Фукса Н.І., Швидкого М.І., Дерягіна Б.В. й інших дослідників. Однак у цих роботах недостатньо приділено уваги магнітній коагуляції і магнітному механізму осадження пилу та поділу його на компоненти, що пояснюється складністю розрахунків параметрів високоградієнтних полів магнітних систем.

Як видно, невирішених задач у пиловловлюванні залишається ще багато. Значний внесок у їхнє вирішення внесли вчені: Бересневич П.В., Вілкул Ю.Г., Гагауз Ф.Г., Гордон Н.М., Гурін А.О., Вальтберг А.Г., Дерягин Б.В., Кириченко А.М., Малигін А.Д., Мегков Б.І., Логачев І.Н., Недін В.В., Пейсахов І.Л., Ужов В.Н., Швидкий М.І. й інші. отримано ними результати: теорії, способи й апарати газоочищення, являють собою основу всіх питань охорони праці робітників.

На підставі аналізу опублікованих матеріалів науково-дослідних робіт в області охорони праці робітників гірничопромислового комплексу, сформульовано задачі дослідження:

ь Розробити математичну модель оцінки вкладу кожного джерела викидів пилу в забруднення атмосфери промислових площ та міста, виявити для підприємств Кривбасу ті з них, які є найбільш небезпечними в цьому плані.

ь Виявити залежність між фізико-механічними властивостями пилу та параметрами силового поля, в якому він знаходиться, для дослідження механічних, адгезійних, електричних та магнітних властивостей пилу та його частинок.

ь Створити теоретичні основи магнітного пиловловлювання, які дозволили б визначати параметри магнітних систем (кількість, крок, ширину та висоту магнітних полюсів) і умови регенерації осаджувальних поверхонь.

ь Розробити теоретичні основи збільшення ступеня вловлювання пилу центробіжними та інерційними апаратами, гравітаційними камерами та електрофільтрами.

ь Теоретично обґрунтувати можливість одночасного вловлювання та сепарації пилу за розміром, електричними і магнітними властивостями, що є необхідним для ефективної утилізації промислових викидів.

ь Розробити засоби та апарати вловлювання й поділу пилу на компоненти, випробувати їх у лабораторних і промислових умовах, і визначити їхню економічну ефективність.

Розділ 2. Дослідження фізичних властивостей пилу .

Основна маса дрібного пилу, не уловленого апаратами аспіраційної системи, викидається в атмосферу через труби різної висоти, розміщені на території підприємств, і розсіюється повітряними потоками на значені площі часто з перевищенням ГДК. У роботі розроблено рівняння для математичного моделювання процесів переносу і розсіювання пилу від точкового, стаціонарного джерела (труби):

, (1)

де - інтенсивність і висота джерела, кг/м3 і м;

- швидкість і коефіцієнт турбулентної дифузії вітру, м/с і м2/с;

- висота приземного шару повітря, м; - координати точки замірів у системі координат, пов’язаній з центром середньо валових викидів підприємства та спрямованої перпендикулярно вiтру, м.

Приклад розрахунку, за цією формулою, сумарної запиленості приземного шару на різних відстанях від центра викидів ЦГЗКа приведено на рис. 1.

Уздовж прямих, перпендикулярних швидкості вітру, із кроком 25 м відкладена концентрація пилу в мг/м3, а на нижній прямій зазначено умовні номери джерел пилових викидів. З рисунка видно, що за цієї швидкості (4 м/с), коефіцієнти турбулентної дифузії (1 м2/с) та напряму вітру (літо, вітер північний), перевищення концентрації пилу буде спостерігатися навіть на відстані 50 км, причому, високі труби (16-21) починають запилювати на відстані, більшій 3 км, а низькі (2, 4-7, 9, 11 і 12) - уже на території фабрики, тобто на робочих місцях.

Аналіз отриманих у роботі результатів розрахунку дозволив виявити для всіх ГЗКів міста ті джерела, що спричиняють великого внеску у запиленість повітря в даному місці при заданих метеоумовах, і розробити для них необхідні рекомендації.

Для точного виміру швидкості і коефіцієнтів турбулентних пульсацій повітряних потоків, розроблено та випробувано коронний анемометр, що складається з двох плоских заземлених електродів, які лежать в одній площині, і коронуючого електрода, розміщеного над щілиною.

Проекція швидкості потоку на вісь, паралельну площині електродів та перпендикулярну щілині між ними є пропорційною різниці потенціалів чи току , що протікає через вимірювальний прилад, включений у ланцюг, або числу іонів і заряду е, перенесених вітром з однієї пластини на іншу за час t:

~, (2)

де - опір вимірювального приладу та заземлення, Ом.

Проектування, ефективна і надійна робота пиловловлювального устаткування значною мірою залежать від фізико-механічних властивостей пило- газового потоку, самого пилу та його окремих частинок.

Механічні властивості пилу визначалися загальноприйнятими методами: густина (насипна і при стандартному навантаженні) і злипання - за методикою і на приладі, розробленому Андріановим Є.І., при цьому, деякий пил зволожувався в спеціальному боксі зі 100 % вологістю; дійсна густина - пікнометричним способом; пористість, ступінь заповнення об’єму, число контактів і їхня міцність - за методиками, розробленими для контролю за питомою поверхнею металевих порошків; дисперсний склад - шляхом розсіювання на ситах і вивченням під мікроскопом спеціально отриманих проб.

Щоб мати достатню кількість пилу в прийнятих розмірних інтервалах, з метою одержання дисперсного складу і проведення лабораторних випробувань пофракційного ступеня очищення пиловловлювачів, розроблено класифікатор (рис.2).

Розділення пилу в класифікаторі відбувається в нерухомому середовищі, замкненому в корпусі 1, що виключає вплив профілю швидкостей потоку на цей процес за рахунок розходження в часі падіння частинок з каналу 2 живильника 3 у секції бункера 8, що синхронно обертається з ним. Усі секції цього бункера постійно розвантажують осілу фракцію пилу у відповідні їм канали, утворені нерухомими, коаксіальними циліндрами 9. Границі, одержуваних розмірних інтервалів, залежать від частоти обертання приводу 7.

Електричну провідність й діелектричну проникність пилу визначали на виготовленому плоскому конденсаторі з обмежуючим поле кільцем, шляхом виміру струмів, що протікають між відповідними електродами і електроємності, заповненого пилом конденсатора. Відповідний розрахунок здійснювався за методиками, запропонованими для двофазових середовищ.

Магнітні властивості пилу досліджувалися на удосконаленому пристрої, що реалізує метод Фарадея, яка дозволила, шляхом виміру ваги пилової проби в одній і тій же точці високоградієнтного магнітного поля за різних його параметрів, побудувати петлю гістерезиса, з якої визначалися: залишкова намагніченість, коерцитивна сила і максимальна магнітна сприйнятливість.

Для вивчення магнітних властивостей окремих пилових частинок, розроблено спосіб, заснований на безінерційному обертанні еліпсоїдоподібної частинки у в'язкій рідині. Отримаю вираз для розрахунку магнітного моменту частинки

, (3)

де - кут повороту частинки пилу та її розміри; - динамічна в’язкість рідини, Пас; C, L, R- параметри магнітної системи приладу; Io, t- сила струму та час експозиції.

Цей спосіб дозволяє з достатньою точністю визначати намагніченість частинок, дисперсний склад пилу та розподіл його магнітних властивостей за розмірами.

При вивченні коагуляції частинок, розглянуто процеси руйнування повітряним потоком агрегату з декількома частинками і відриву однієї з них від шару пилу різної вологості, що дозволило визначити відносну швидкість потоку і частинок, за якої ці процеси починаються. У першому випадку, для визначення відносної швидкості скористалися порівнянням енергій магнітної взаємодії частинок і повітряного потоку, що дозволило одержати розрахункову формулу:

, (4)

де - намагніченість одиниці об'єму частинок та їхня кількість, А-м2;

- величина, що залежить від форми агрегату й числа частинок у ньому;

- міделевий переріз частинки й агрегату, м2; - коефіцієнт лобового опору; - відношення сил, що діють на частинку в агрегаті та вільну частинку.

Розрахунками встановлено значні відносні швидкості , тобто агрегати являють собою міцні утворення, і це необхідно використовувати для збільшення ступеня очищення будь-якого пиловловлювача.

У другому випадку, при дослідженні здіймання частинок, тобто руйнування осілого шару пилу, використовувалися результати виміру міцності одного контакту, як функції вологості пилу, яку прирівнювали з силою лобового опору, яка діє на одну частинку в агрегаті, і одержали формулу, для розрахунку швидкості потоку, за якої частинка почину відриватися (перекочуватися)

, (5)

де - міцність одного контакту між частинками, Н.

Розрахунок за цією формулою, виконаний для абсолютно сухого пилу, дав результати, що набагато перевищують отримано за формулою (3), що дозволило оцінити ступінь молекулярної взаємодії частинок.

Скориставшись закономірностями процесів, які протікають поблизу стінки, отримано середню швидкість повітряного потоку в трубі, за якої частинки можуть ще утримуватися на поверхні шару:

, (6)

де - динамічна в'язкість газу, Па-с; - діаметр частинки, м.

Результати розрахунку цієї швидкості, виконано для пилу дробарних і агломераційних фабрик показали, що для перших вона лежить у межах від 6 до 14 м/с, а для других - від 10 до 49 м/с, причому, збільшення вологості пилу від 0 до 10 % призводить до необхідності збільшувати середню швидкість потоку в 10-35 разів. Отже, для запобігання налипання пилу на внутрішні поверхні аспіраційних систем, необхідно: по-перше, знижувати його вологість; по-друге, користуватися розподілом пилу за злипаємістю.

Розділ 3. Теоретичні основи магнітного пиловловлювання

Як показали виміри магнітних властивостей пилу ГЗКів, більшість з них є сильномагнітними, тому для ефективного їхнього вловлювання необхідно використовувати магнітне поле, що відкриває можливість сепарації вловленого пилу за компонентами, які відрізняються фізичними властивостями частинок.

Для розробки апаратів, у робочій зоні яких передбачається розмістити

магнітне поле, необхідно знати його характеристики. Відомі формули розрахунку цих характеристик є дуже складними, або дають наближене значення.

Для одиночного магніту, аналітично отримано рівняння для розрахунку проекцій напруженості поля

(7)

та сили, що діє на частинку в цьому полі

(8)

де - функції, що залежать від розмірів магніту, його властивостей і обраної системи координат;- магнітна сприйнятливість частинки і її об’єм, м3.

Для магнітів, розміри яких змінювалися в межах: ширина полюса від 1 до 16 см, а товщина - від 1,4 до 11,2 см, на ЕОМ виконано розрахунок цих проекцій у 100 точках поля. Для тих же магнітів і в тих же точках поля, наведено розрахунки значення проекції на вісь іксів умовної магнітної сили, тобто величини HgradH. Як видно з цих розрахунків, максимуми проекцій напруженості і магнітної сили спостерігаються напроти торця полюса. Причому, площа під кривою, для магнітів однієї товщини, майже не залежить від ширини полюсу. Отже, відношення її до ширини полюса буде максимальним у самого вузького магніту. Для визначення оптимальної товщини магніту, побудовано графіки залежності середнього значення проекції умовної сили від його товщини. З цих графіків видно, що для малих відстаней до магніту (порядку 1-3 мм), оптимальною його товщиною може бути 28-42 мм, оскільки, подальше збільшення товщини практично не змінює магнітну силу, а збільшує загальну масу магнітної системи.

виконано за формулами (7), (8) розрахунки, дозволили визначити відносний градієнт поля для кожної з магнітних систем, крок полюсів, їхню необхідну кількість, а також розробити два варіанти безупинної регенерації магнітних полюсів:

- магнітне поле, що рухається, транспортує по робочій поверхні осілий проти полюса магнітний пил до перешкоди, установленої на цій поверхні. Досягши її, пил зупиняється, а магнітний полюс, що звільнився від неї, готовий вловлювати пил знову;

-

, (9)

де - крок полюсів і радіус магнітної системи, м; - густина частинки, кг/м3.

Розділ 4 Теоретичні основи підвищення ступеня сухого уловлювання пилу апаратами.

Низька ефективність роботи аспіраційних систем підприємств, що спостерігається на практиці, пов'язана не тільки з експлуатаційними причинами: порушенням технології, абразивним зносом, злипанням пилу, але й з недосконалістю апаратів, що застосовуються.

Цей розділ присвячено теоретичному обґрунтуванню й усуненню деяких недоліків, властивих пиловловлюючим апаратам.

Дійсний ступінь очищення газу від пилу у відцентрових апаратах типу циклон виявляється меншим розрахованого зо отриманою завдяки теорії імовірності та законам турбулентного руху повітря формулою

, (10)

де - інерційний параметр частинки, с; - швидкість потоку у вхідному патрубку і його перетин, м/с, м2; Н - висота циліндричної частини циклона, м.

Причому, ця різниця сильно зростає при збільшенні швидкості потоку, що очищається, в апараті. Вторинний винос пилу з циклона, що є тому причиною, пояснюється сильною турбулізацією утворених усередині вихорів. Якщо в робочій зоні циклона за допомогою коаксіальних обичайок створити кільцеві канали з ламінарною течією повітря то отримаємо вираз для розрахунку ступеня уловлювання пилу новим циклоном:

(11)

де - висота і діаметр обичайок, м, і їхня кількість.

Розрахунок за цією формулою показав, що звичайний циклон, що вловлює певний пил з імовірністю, наприклад, 80 %, після реконструкції буде уловлювати її з ефективністю 98%.

Пропонуються дві конструкції циклонного апарату: прямоточного і з верхнім розташуванням вихідного патрубку (рис.3). У цих циклонах усунуто будь-яку можливість вторинного виносу пилу завдяки тому, що частинки, що досягли його осаджуваних поверхонь, відразу ж виводяться з вихору, що очищається, у ламінарний потік. Зменшення ж часу перебування частинок у спадному вихорі, скорочує їхній контакт зі стінками циклона до мінімуму, що значно знижує його абразивний знос.

Відмінність у роботі запропонованих циклонів від звичайних полягає в тому, що пил, який одержав разом з потоком у вхідному патрубку 2 завитка 1 обертово-поступальний рух, потрапляє в кільцеві щілини 7. Розміри щілини, тобто її ширина, вибирається такою, щоб потік у ній був ламінарним. Пил, що туди потрапив, коагулює й осідає на днища 5, навантажуючи блимавки 8. В один з моментів його маса стає достатньою і пил розвантажується в бункер 9. Такий процес поетапного видалення пилу з потоку, що очищається, виключає винос його у вихідний патрубок 3 і абразивне руйнування корпусу апарата. Лабораторні випробування нових циклонів підтверджують достовірність виразу (11).

Під час уловлювання магнітного пилу, ефективність циклона можна збільшити на 30–40 % шляхом утримання і коагуляції пилу на його осаджувальних поверхнях, використовуючи при цьому магнітне поле. Це твердження витікає з виразу, отриманого тим же шляхом, що й (11), але з урахуванням сили , що діє на пил у високоградієнтному магнітному полі

, (12)

де - постійна величина, що залежить від форми циклона.

Принципову схему такого циклона наведено на рис.4. Немагнітний пил уловлюється в цьому циклоні за звичайних умов, магнітний же - утримується на поверхні 1, у місцях найбільшого градієнта магнітного поля, і транспортується ним до ловильних каналів 2, де він накопичується, коагулює, а потім зсипається в патрубок 3.

З формули (12) видно, що ступінь магнітного уловлювання пилу практично не залежить від розмірів циклона, а зростає зі зменшенням діаметра частинки і швидкості пило газового потоку, що підтверджується лабораторними і промисловими дослідами. Крім того, уловлений магнітний компонент може містити заліза до 66 % при високих показниках витягу. Реалізація його, як залізного концентрату, може окупити пило-очищення і на 20-40 % скоротити об’єми шламів, які складуються.

Інерційні пиловловлювачі відрізняються від циклонів тим, що їх можна виготовити невеликого діаметра і будь-якої довжини, щоб сконцентрувати і вивести в бункер практично весь пил. Але ж ця довжина може бути великою. Ефективність такого пиловловлювача в основному визначається механізмом осадження, який використовується в бункері апарата.

На рис.5 зображена принципова схема розробленого інерційного електростатичного пиловловлювача, що відрізняється від відомих тим, що в ньому створено умови для повної трибозарядки всіх пилових частинок і максимальне осадження їх у бункері апарата, під дією гравітаційних, інерційних і електростатичних сил дзеркального відображення.

Пиловловлювач працює наступним чином. По інерції всі частинки стикаються з футеровкою корпусу 1, набуваючи при цьому заряд , величина якого залежить від часу контакту її з поверхнею, а потім потрапляють у бункер з імовірністю, рівною

(13)

де - довжина і діаметр пиловідділювача, м; - діаметр обтічника, м.

З рівняння руху частинки пилу в електричному полі, отримано вираз, що зв'язує час перебування її в бункері з ефективністю електростатичного її осадження на заземлених поверхнях:

(14)

де - довжина шляху, що проходить частинка в бункері, м.

Розрахунок за цією формулою, виконаний для апарата діаметром 0,25 м, висотою бункера 0,2 м і шириною 0,6 м, при швидкості потоку 10 м/с, для частинок густиною 2,6 г/см3 і діаметром 5 мкм, що мають заряд , де n набуває значення від до штук, представлено на рис. 6.

З графіків видно, що частинки, які мають заряд більший , Уловлюються, наприклад, стовідсотково за певний час, а у чотири рази меншим - на 40 %. Ці результати підтверджують важливість трибозарядки частинок.

Результати всебічних випробувань даного апарата підтвердили правильність теоретичних передумов і визначили шлях розрахунку його розмірів і вибору футировочного матеріалу.

З усіх найпростіших апаратів найбільшу стабільність в роботі мають гравітаційні камери, залишаючись при цьому найбільш дешевими у виготовленні й експлуатації. Їхнім недоліком є низький ступінь уловлювання дрібнодисперсного пилу.

Як відомо, для збільшення ступеня пиловловлення необхідно подовжувати камеру або зменшувати висоту падіння частинок і швидкість потоку, що очищається, але є ще один шлях - коагуляція частинок. Одним зі способів прискорення процесу коагуляції частинок є розміщення на їхньому шляху різних проникних перешкод, що, до того ж, можуть електризуватися. У ролі цих перешкод, пропонуються штори з вільно підвішених волокон. Така штора, отримуючи електричний заряд, сповільнює рух однойменно з нею заряджених частинок і прискорює - різнойменно заряджених, що забезпечує умови для градієнтної коагуляції пилу.

Нами обрано два способи підвищення ступеня очищення камери: зменшення висоти осадження пилу горизонтальними полицями й установка волоконних штор-коагуляторів на всю її висоту і ширину.

Лабораторні випробування камери показали, що вона ефективно уловлює промисловий пил при 5-6 шторах і швидкості фільтрації 30–35 см/с. Насичення заряду на першій шторі наступає через годину роботи, а його поверхнева густина дорівнює 4,8 мкКл/м2.

Використовуючи результати розв'язання диференціального рівняння Нав’є - Стокса, що описує рух частинок у потенційному потоці, який обтікає одиночний циліндр, виведено формулу для розрахунку ймовірності інерційного осадження їх на цій поверхні, граничне значення якої відповідає механізмам зачеплення і торкання:

, (15)

де - швидкість потоку віддаленого від волокна, та його радіус, м/с і м.

З теорії імовірності отримано вираз для розрахунку ступеня вловлювання монодисперсного пилу волоконною шторою товщиною Н, що складається з рівномірно розподілених у просторі циліндричних поверхонь:

, (16)

де - відстань між поверхнями волокон, м.

Розрахунок за цією формулою узгоджується з результатами експериментів.

Вивчено вплив електричного заряду частинки і штори на ефективність роботи фільтра. Отримано формула для визначення величини заряду частинки, однойменного заряду штори, за якого вона цілком зупиняється перед шторою:

, (17)

де - поверхнева густина заряду на шторі, Кл/м2; - електрична постійна, Ф/м.

Чисельне розв'язання диференціального рівняння руху частинки поблизу зарядженого волокна і з урахуванням інерційного й електростатичного механізмів осадження, у випадку різнойменних зарядів на них, показало, що ефективність електростатичного осадження на 20 – 30 % більше, ніж інерційного.

Розглянуто процес дифузійного осадження дрібних частинок на волокно з приграничного шару потоку, що обтікає його. Ефективності цього процесу:

, (18)

де - коефіцієнт дифузії, м3/с.

З цієї формули видно, що ефективність буде збільшуватися зі зменшенням відстані між волокнами і швидкості фільтрації, і зі збільшенням радіуса волокна.

З теорії імовірності виведено рівняння для розрахунку ступеня дифузійного осадження частинок на волоконній шторі:

(19)

Результати розрахунку ефективності пилоосадження на волоконній шторі, як функції розміру частинок, виконано за формулами (16) і (19), представлено на рис. 7 у вигляді логарифмічної залежності. На графіках цієї залежності проглядається мінімум, що лежить в інтервалі від 1 до 3 мкм, який може зміщатися при зміні швидкості фільтрації, радіуса волокон і відстані між ними.

Розроблено конструкцію вертикальної, циліндричної камери з волоконними шторами. З принципової схеми цієї камери, зображеної на рис. 8, видно, що пилогазовий потік, який надходить з патрубка 10 у центральну частину корпуса 1 апарату, обмежену першою шторою 8 і стабілізуючою сіткою 9, розширюється радіально, що зумовлює зменшення швидкості фільтрації його через наступні штори. Зменшення ж швидкості дає можливість виявляти спочатку інерційний механізм осадження, а потім дифузійний.

Ефективність пиловловлення такої камери дає можливість рекомендувати її як фільтр тонкого очищення газу від пилу.

У другій стадії очищення газу від пилу використовуються електрофільтри, що мають багато позитивних якостей. Але є в них і недоліки: ненадійне уловлювання як провідного пилу (перезарядження і вторинне віднесення частинок), так і непровідного (утворення зворотної корони), а також руйнування конструкцій ударними механізмами регенерації електродів.

Аналіз роботи електрофільтрів показав, що в ньому не використовується інерційний, а для магнітного пилу ще й магнітний механізми осадження пилу. З врахуванням цих механізмів, отримано формулу для розрахунку ступеня пиловловлення

, (20)

де - швидкості повітря та дрейфу частинки, м/с; - довжина і діаметр осаджувального електрода, м; - магнітна сприйнятливість пилу.

Присутність трьох додатків у показнику експоненти свідчить про високу ефективність розробленого апарату.

Пропонується трубчастий електрофільтр, у якому можна підвищувати швидкість фільтрації в кілька разів (і при цьому буде відсутня вібрація коронуючого електрода). Його обладнано нетрадиційною системою регенерації осаджувального електрода, він ефективно уловлює сильномагнітний, провідний пил і здатний сепарувати його на два компоненти: магнітний та немагнітний.

З рис. 9 видно, що пило газовий потік, поступаючий з патрубка 12, розділяється на декілька потоків. Той, що приходиться на один трубчатий елемент, закручується завихрувачами 4, що стабілізують коронуючий електрод 2, закріплений у корпусі 1 прохідним ізолятором 3. Під дією відцентрових, кулонівських і магнітних сил, частинки осаджуються на внутрішню поверхню електрода 5. Обертальний рух магнітної системи 8, завдяки опорним підшипникам

10 та редуктору 11, змушує рухатися магнітні частинки, які осіли навпроти полюсів магнітів 9, і вони зішкрібають з поверхні електрода 5 пилові агрегати, які й падають в бункер 15. Магнітні ж частинки транспортуються до пасток 6 і теж виділяються з електрофільтра в бункер 14 через патрубки 7. Очищене повітря виходить з фільтра завдяки колектору 13.

Розділ 5. Розробка апаратів з розділенням пилу на компоненти.

В розділі описуються розроблені апарати, що дозволяють розділяти уловлений пил на два і більше продуктів, які необхідні основному виробництву або іншим, а їх утилізація забезпечить самооплатність пиловловлення.

Пил усіх промислових підприємств має хімічний склад продукту, що переробляється ним, тобто вже є корисними йому, а деякі, наприклад, спелевий графіт перевершують за ціною чавун у кілька разів, за умови його збагачення.

Основними фізичними властивостями, що відрізняють компоненти пилу, є густина, розмір частинок, їх форма, електропровідність, діелектрична проникність і магнітна сприйнятливість.

Для розділу пилу за електричними властивостями пропонується пристрій (див. рис. 10), у якому реалізовано ефективну зарядку частинок, які надходять у корпус 1 через патрубки 2 або 3, на напівпровідних куточках 6 і розділ їх в полі електродів 4 і 7 за знаком набутого заряду. Одержані пилогазові потоки видаляються з сепаратора через канали 5 та кармани 8, що з’єднані з внутрішньою порожниною електродів 4. Пилоочищення отриманих потоків може